基于MIKE 21对防撞设施桥墩处紊流宽度的研究

王加建，陈懿强，杨之彦

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

关键字：MIKE 21；防撞设施；紊流宽度

引言

上海市内河航道“船舶大型化”的现象已经比较普遍。2010年至2016年，上海内河辖区进出港船舶平均载重吨从 450 t上升至 650 t，提高了约44 %，以每年5 %的速度增长，充分显示了船舶大型化的发展趋势。2016年2月23日，上海市交通委组织召开了“内河大船进港危及桥梁隐患处置工作”专题研讨会，指出：上海市超航道等级标准的大型船舶对跨航道桥梁的安全风险与日俱增，一旦发生大型船舶撞击重点公路、铁路及轨道交通桥的重特大事故，后果将十分严重，船舶大型化带来的一系列问题要引起高度重视。委领导强调，要始终把安全问题放在第一位。船舶大型化对航道及桥梁等基础设施的安全影响是行业管理中不可回避的短板问题之一，要防患于未然，尽快开展切实有效的应对措施和手段。全面摸排调查内河航道上桥梁现状情况，对既有水中设墩桥梁按照轻重缓急设置防护设施势在必行。

由于桥梁防撞设施方案复杂以及不同航道地形的不同，防撞设施布设后可能对桥梁航段通航安全造成影响，因此本文以茹塘大桥和中运河桥为例，采用MIKE 21建立开展了二维水流数学模型，研究防撞设施的布设对于桥墩处紊流宽度的影响。

1 规范中的方法

现状通航净宽值可由桥墩内净距-紊流宽度得出。紊流宽度的计算按照《内河航道工程设计规范》12.2.4节第5条紊流计算公式进行计算。

式中：

E1为通航孔两侧桥墩紊流宽度标准值（m）；

K1为与桥墩形状相关系数，圆头墩取 0.8，尖头墩取0.66，方头墩取1.2；

v为墩前水流流速（m/s），取v=1.5 m/s；

b为桥墩投影到航道中心法向宽度（m），对于圆头墩、尖头墩，b=（墩长-墩宽）sinα+墩宽，对于方头墩，b=（墩长×sinα+墩宽×cosα）；

h为桥墩附近水深，按设计最高通航水位起算。考虑到日后航道维护疏浚，此处采用航道规划等级对应的航道规划低标高进行计算。

经过计算，布设防撞设施前，茹塘大桥最终紊流宽度取值3.39 m。布设防撞设施后，南侧通航孔一侧为 B1型防撞墩，一侧为柔性防护，最终紊流宽度取值3.74 m。北侧柔性防护最终紊流宽度取值3.69 m。

布设防撞设施前，中运河桥最终紊流宽度取值3.27 m。布设防撞设施后，中运河桥最终紊流宽度取值1.99 m。

2 数值模型的建立

2.1 基本方程[1-5]

采用丹麦水力研究所（DHI）研发的MIKE 21软件进行计算网格生成、地形处理和水流计算等。MIKE 21属于平面二维自由表面流模型，广泛运用于海洋、湖泊、河道及蓄滞洪区的流场、流速、水位等方面的模拟，能够获得不同水文要素的时空分布及洪水淹没信息[6]。

MIKE 21水动力学模块是本次风险分析模拟最核心的基础模块。水流模拟基于的控制方程是不可压流三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深积分的连续方程和动量方程，其连续性方程、X和Y方向动量方程如下[7]：

式中：

t为时间；

x,y为直角坐标系坐标；

η为水位；

d为静止水深；

h=η+d为动态水深；

,为x,y方向上的垂线平均速度；

f=2Ωsinφ为柯氏力参数（Ω为地球旋转角速度，φ为纬度）；

g为重力加速度；

ρ为水体密度；

ρ0为水体参照密度；

Sxx,Sxy,Syx,Syy为辐射应力分量；

τxx,τxy,τyx,τyy为剪切应力分量；

S为点源的流量；

us,vs为水质点速度在x,y方向上的分量；

Txx,Txy,Tyy为侧向压力，表达式为

2.2 茹塘大桥数值模型的建立

1）模型建立与网格划分

叶新公路桥（茹塘大桥）桥梁现状桥墩内净距为17 m，桥墩周围存在一定的紊流。布设防撞设施后，桥墩周围的紊流范围会相应的发生变化。本次桥梁防撞设施在桥墩南侧通航孔布置2座B1型防撞墩、非通航孔布置2座φ400组合钢管桩，桥墩通航孔侧布设复合防护材料。

模型概化范围上游至北石港，下游至向荡港。模型概化采用三角形网格对模型区域进行剖分，准确贴合复杂多变的河道岸线及工程方案平面布置，边界附近网格边长较大，约为13 m；从边界至工程区域网格逐渐加密，工程局部区域网格边长最小为0.6 m。图1为模型计算区域及局部区域网格布置示意。

图1 计算区域及网格示意

2）计算工况及水文条件

根据设计要求，本次计算采通航最高水位（4.15 m）与最低水位（2.00 m）对茹塘大桥防撞实施前后的水流条件进行计算分析，根据内河航道工程设计规范第12.2.4条，对于闸控航道，墩前水流流速应取最大引排水流量时的水流流速，且不得小于1.5 m/s。因此本次水流流速采用1.5 m/s进行计算。计算工况分为高水位时茹塘大桥桥梁防撞实施前和防撞实施完成后以及低水位时茹塘大桥桥梁防撞实施前和防撞实施完成后四种工况。

工况 1：防撞设施实施前桥区河段高水位；工况2：防撞设施实施后桥区河段高水位。

2.3 中运河桥数值模型的建立

1）模型建立与网格划分

松卫南路桥（中运河桥）桥墩内净距现为21.9 m，在承台上下游两侧布置φ400组合钢管桩。

模型概化范围上游至龙泉港，下游至慧高泾，全长19 km。模型概化采用三角形网格对模型区域进行剖分，准确贴合复杂多变的岸线及工程方案平面布置，边界附近网格边长较大，约为18 m；从边界至工程区域网格逐渐加密，工程局部区域网格边长最小为0.5 m。图2为模型计算区域网格。

图2 计算区域及网格

2）计算工况及水文条件

根据设计要求，本次计算采用最高通航水位对中运河桥防撞实施前后的水流条件进行计算分析。计算工况分为中运河桥梁防撞实施前和防撞实施完成后两种工况。

实施前和实施后水文条件相同。根据《上海市内河航道工程设计规范》，对于闸控航道，墩前水流流速应取最大引排水流量时的水流流速，且不得小于1.5 m/s，报告取1.5 m/s。利用航道上下游相邻水文站设计通航水位值，通过内插得出最高通航水位为3.55 m，过水流量为200 m3/s，最低通航水位2.00 m，过水流量为135 m3/s。

3 结果与分析

3.1 茹塘大桥

1）流场分析

茹塘大桥桥区段高水位时，在现状情况下，如图3所示，水流流向总体上与河道走向基本平行，但在桥墩附近，桥墩迎水侧水流受桥墩顶托水流流向桥墩两侧略有偏转，水流在绕过桥墩两侧时发生边界层分离，并桥墩后方形成尾涡。

茹塘大桥防撞设施实施后，如图4所示，桥区段水流流场与现状情况相比，有一定的差异，同时防撞墩对桥墩附近的流场影响大于组合钢板桩。由于防撞墩宽度较大，水流绕过防撞墩后，在后侧桥墩附近形成一定宽度的边界层分离区域，同时在桥墩尾部形成尾涡；而组合钢板桩宽度与桥墩宽度基本一致，水流绕过组合钢板桩后，桥墩两侧时出现边界层分离，但宽度较小，在桥墩后侧存在围涡，但围涡尺度较防撞墩小。

图3 高水位时设墩前流场分布

图4 高水位时设墩后流场分布

2）流速分析

图 5为高水位时茹塘大桥桥墩附近的流速分布。模型计算通航高水位时，桥墩附近主槽区域，如图 5所示的 2#桥墩与 4#桥墩之间区域，流速为1.4～1.6 m/s；主槽左槽1#桥墩与2#桥墩之间区域流速为1.0～1.2 m/s；主槽右侧4#桥墩与5#桥墩之间区域流速为1.2～1.6 m/s。

图5 实施前桥区河段流速大小分布

根据《内河航道工程设计规范》（DG/TJ 08-2116-2012），对于水中设墩的 VI级航道，桥墩周围横向流速超过0.25 m/s时，将对船舶航行安全产生不利影响，可认为横向流速超过0.25 m/s的水域属于碍航紊流影响范围。本次紊流计算参照《内河航道工程设计规范》的相关要求。

图6 实施前桥区横向流速大小分布

图7 实施后桥区横向流速大小分布

茹塘大桥现状情况下，高水位时，通航区域位于2号、3号桥墩间和3号、4号桥墩间。桥墩附近的横向流速大小分布，如图6所示。2号、3号桥墩间紊流宽度为3.98 m，3号、4号桥墩间紊流宽度为4.12 m。因此，防撞设施实施前，桥区段最大紊流宽度为4.12 m。茹塘大桥防撞设施实施后，桥墩附近的横向流速大小分布，如图7所示。2号、3号桥墩间紊流宽度为5.32 m，3号、4号桥墩间紊流宽度为4.35 m。因此，防撞设施实施后，桥区段最大紊流宽度为5.32 m。

3.2 中运河桥

1）流场分析

中运河桥桥区段最高通航水位时，在现状情况下，如图8所示，桥区段水流最高通航水位流流向总体上与河道走向基本平行，但在桥墩附近，桥墩迎水侧水流受桥墩顶托水流流向影响向两侧偏转，水流在绕过桥墩两侧时发生边界层分离，并桥墩后方形成尾涡；中运河桥防撞设施实施后，如图9所示，桥区段水流流场与现状情况相比，总体上差异不大，但在组合管桩附近流场略有差异，组合钢管桩迎水侧水流向两侧偏转，组合钢管桩后面存在尾涡。

图8 实施前桥区河段流场分布

图9 实施后桥区河段流场分布

2）流速分析

图 10为最高通航水位中运河桥桥墩防撞设施实施前后桥址附近的流速分布情况。中运河桥防撞设施实施前后，桥址段河道流速分布总体上无明显变化；桥墩附近，受桥墩影响，桥墩两侧流速略有增大；桥墩迎水头部及桥墩尾部区域流速略有减小；防撞设施实施前后，流速分布无明显差异。桥区段，最高通航水位，主槽区域流速为1.35～1.6 m/s；最低通航水位，主槽区域流速为 1.35～1.6 m/s；桥墩两侧，流速为0.8～1.2 m/s。

图10 实施前后桥区河段流速大小分布

根据《内河航道工程设计规范》，对于水中设墩的 VI级航道，桥墩周围横向流速超过 0.25 m/s时，将对船舶航行安全产生不利影响，可认为横向流速超过0.25 m/s的水域属于碍航紊流影响范围。

中运河桥现状情况下，最高通航水位，桥墩附近的横向流速分布如图 11所示，桥墩下游迎水侧横向流速大于上游，且河道弯曲方向及桥墩走向的影响，在桥址附近流速为1.5 m/s时，桥区段紊流宽度为3.2 m，桥墩净距21.9 m，有效通航净宽为18.7 m。

中运河桥防撞设施实施后，桥墩宽度不变，最高通航水位，桥墩附近的横向流速分布如图 12所示，在桥址附近流速为1.5 m/s时，桥区段紊流宽度为2.9 m。

图11 实施前桥区河段横向流速大小分布

图12 实施后桥区河段横向流速大小分布

对比公式所得紊流宽度数值，根据图8～11，可以发现防撞设施布设前后紊流宽度的变化，如表1所示。

表1 防撞设施布设前后紊流宽度对比

从表中可以发现 MIKE 21数模所得紊流宽度值一般都大于公式计算结果，但布设防撞设施前后的变化规律和公式结果不同并有一定差距。根据数模所反映的流场，墩前水流的变化情况比公式中所考虑的参数要复杂，本文认为需要对公式进行修改。

4 结论

本文采用丹麦水力研究所（DHI）研发的MIKE 21软件建立了茹塘大桥和中运河桥的数值模型，模拟了在恒定水流作用下，防撞设施布设前后对于桥墩紊流宽度的影响，并与规范公式所得紊流宽度值进行对比，发现数值模拟所得紊流宽度值往往比规范法所得大，而且在增设防撞设施后其紊流宽度有增大，有减小，这与所采用的防撞设施方案有关，同时也可能与桥墩前航道地形有关，但总体而言，采用数值模拟的方法能较好的还原了航道实际的地形情况，同时结合了每条航道的唯一性，能更好的反映航道实际的紊流宽度。且弥补了规范法中所采用公式法中未很好体现桥墩前地形对于紊流宽度的影响，今后可以增加相应地形参数进行公式的矫正。